CN201387612Y

CN201387612Y - 一种农畜产品流通监管装置

Info

Publication number: CN201387612Y
Application number: CN200920106333U
Authority: CN
Inventors: 吴华瑞; 朱华吉; 孙想; 顾静秋; 冯臣
Original assignee: Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences
Current assignee: Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2019-03-04

Abstract

本实用新型涉及一种农畜产品流通监管装置，包括主机，该主机包括内核、无线射频识别标签读写模块、天线、数据处理模块；其中，所述无线射频识别标签读写模块和该天线组成用于接收或发送无线信号的无线射频收发模块，该无线射频收发模块与内核连接，在信号发射前，由内核对基带信号进行加密；所述内核与该数据处理模块组成加密模块，该加密模块与所述无线射频识别标签读写模块结合并进行密钥运算。该装置采用了加密存储芯片，在存储芯片中包含了内部操作的密钥，内置SHA－1算法的安全存储器，通过与现场可编程门阵列芯片的相应引脚相连来组装，能够进行包含密钥、SHA－1的密码运算，从而保证安全可靠的信息读取。

Description

一种农畜产品流通监管装置

技术领域

本实用新型涉及食品监控领域，具体地，涉及一种农畜产品流通监管装置。

背景技术

农畜产品质量安全受到世界的关注，农畜产品质量可追溯体系是当前研究的热点问题，所谓可追溯性是指“通过记载和识别，追踪实体的历史、应用情况和所处场所的能力”，要求农畜产品供方建立并保持形成文件的程序，对每个或每批产品都应有唯一性标识，这种标识应加以记录。

建立可追溯体系的关键是农畜产品的个体标识和流动登记、农畜产品供应链各环节信息管理及溯源信息传递。现有技术在农畜产品个体标识和流动登记方面，一般采用条码或者RFID(无线射频识别标签读写)进行标识，并对这种标识加以记录，为可追溯农畜产品供应链(屠宰、加工、批发、零售)质量监控体系建立提供数据基础。

目前，根据调查可知各类RFID(Radio Frequency Identification)产品主要使用51单片机或者ARM(Advanced RISC Machines)系列的芯片作为显控芯片，这样的设计优点在于技术成熟，稳定，成本低。但是这些优点是建立在已经固化好的硬核(51单片机或者ARM系列芯片)上，这样就大大的降低了系统的灵活性。导致在射频信号传输过程中，传送的是未加密的信号，通过频率相同的读卡器就可获得这些传送的数据，数据的传送变的不安全。有些系统使用了51芯片或者ARM控制芯片外挂一片DSP(数字信号处理)芯片进行数据的加密方式，这种方式大大降低了PCB(Printed Circuit Board)的集成度同时也使产品成本增加。

通过RFID技术、条码自动识别技术与互联网、通信、传感网络等信息技术的融合，将无源标签RFID作为信息载体放入各种产品中，通过RFID阅读器设备对其的读取来实现农畜产品安全生产流通各环节信息的快速采集，从而实现农畜产品质量安全可追溯性方面的进展。在我国农畜产品流通信息管理中，农畜产品供应链各环节间缺乏有效的信息传递，溯源信息多集中在单个环节内或少数环节，不能准确反映农畜产品供应的全过程信息。

其中，使用RFID对农畜产品信息进行管理的过程中普遍存在三方面的安全隐患问题。

一是由于RFID系统是资源受限的，使得它存储的数据量有限，相对加密难度较高，数据在读入到读取器的过程中，可能在半途被窃取。

二是RFID是无线技术中的一种，所以不可避免的具有无线系统通用的安全隐患，RFID系统前端的无线装置和传输协议是产生系统来源数据是否可靠的依托，是整个系统的基础。

三是其标签的安全问题，对于RFID标签来说，芯片具有可重复编程功能，这使得一个标签密码被破译，其他的标签密码也很容易被破译，从而导致大量的信息被盗。

基于以上原因该RFID系统不能以统一的方法或规律来对追溯信息进行识别和管理，并无法完成显控功能以及灵活的加密功能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能够对追溯信息进行识别和管理，并能够完成显控功能以及灵活的加密功能的农畜产品流通监管装置。

为实现达到上述目的，本实用新型公开了一种农畜产品流通监管装置，包括：

主机，该主机包括现场可编程门阵列芯片生成的内核、无线射频识别标签读写模块、天线、数据处理模块；

其中，所述无线射频识别标签读写模块和该天线组成用于接收或发送无线信号的无线射频收发模块，该无线射频收发模块与所述现场可编程门阵列芯片连接并进行无线信号的处理；

所述内核与该数据处理模块组成加密模块，该加密模块与所述无线射频识别标签读写模块结合并进行密钥运算。

进一步地，所述装置还包括与现场可编程门阵列芯片连接的内置密钥算法的存储器。

进一步地，所述装置还包括连接主机并用于对标签信息处理的液晶屏。

进一步地，所述装置为手持式或固定式。

具体地，该装置即MICROBLAZE启动系统，包括通过XILINX公司提供的FPGA的MICROBLAZE内核、RFID(无线射频识别标签读写)模块、天线、DSP数据处理、FPGA的SHA-1加密模块；

其中，该MICROBLAZE内核由SDR AM内存、FLASH存储、FPGA的OPB总线以及串口等通讯接口组成；

MICROBLAZE内核、DSP数据处理、OPB总线8组成的SHA-1加密模块；且OPB总线实现与各个接口的连接通讯；数据经处理后存储至FLASH存储或其他外部存储设备；

RFID模块和天线组成的RFID射频收发模块其通过SPI接口与FPGA通讯，进行数据处理交换；即天线接收空间的电磁信号，传递给RFID模块，RFID模块完成处理所述电磁信号，通过SPI接口将处理后得到的信息反馈给SHA-1加密模块，经过验证后的信息；再通过SPI接口发送给内核进行信息处理；确保信息的安全可靠。

进一步地，通过嵌入式技术把SHA-1的加密芯片与RFID阅读装置进行结合，能完成密钥、SHA-1的密码运算，内置SHA-1算法的安全存储器，通过与FPGA的相应引脚相连来组装。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

首先，本实用新型是具有安全认证功能的RFID读写装置。使用一片FPGA(现场可编程门阵列)来完成上述51或ARM的显控功能以及加密功能，保证在集成度和成本不变的前提下灵活的完成加密功能。即手持式农畜产品监管装置采用全存储芯片式存储，并且在存储芯片中包含了内部操作的密钥，该密钥对外界不可见。每个农用标签包含一个唯一的不可改变的ID号码作为农畜产品的标识，每个农畜产品的标识绑定的一个密钥；且该装置的阅读装置能够进行包含密钥、SHA-1的密码运算，且FPGA控制电路实现了RFID稳定的读取，通过群读功能、防冲突协议等保证了信息传输质量。

另外，该装置具有不可逆的特点，所谓不可逆是指从一个HASH结果逆推出与之相关的输入数据在计算上是不可行的。因此采用由美国国家标准技术局开发，被ISO/IEC10118-3：2004国际标准所采用的单向HASH算法实现不可逆的特性。

再者，在本装置内置SHA-1算法的安全存储器，通过与FPGA的相应引脚相连。每个农畜产品生产单位被授权一个密钥(或根据应用场景RFID可以授权不同类型的多个密钥)；本装置安全特性除了SHA-1本身所具有的安全特性外，还具有依赖于该密钥的安全识别认证方法，而该密钥不可能从安全存储器或者FPGA中读出，更近一步，即该密钥不可能在FPGA初始化配置时，利用窃听其配置数据流的手段而被发现，因此大大提高了农畜产品流通信息的安全性。

本装置开发采用Xilinx公司的Spartan-3系列的XC3S1500器件来实现在FPGA中的加密技术，当器件上电后，FPGA从PROM中读取数据进行初始化配置，配置完成后FPGA的微处理器功能被启动，当农畜产品标签出现在阅读装置附近时，开始进行阅读并进行认证工作。

本实用新型充分利用FPGA的VHDL(VHSIC hardware descriptionlanguage，硬件描述语言)设计出灵活的IP核，内嵌SHA-1加密算法的IP核占用FPGA的部分逻辑单元)，成本较低；并且可以使农畜产品信息的读取能够不依赖网络进行独立认证的功能，可靠性强，以彩色液晶触摸屏为人机交互设备，提高了设备的通用性和可移植性。另外，具有USB数据的更新接口，数据互操作方便快捷，实现农畜产品屠宰、加工、批发、零售等流通过程质量信息的密钥式读写。

附图说明

图1是本实用新型的流通监管装置的整体框架示意图；

图2是本实用新型的MICROBLAZE内核结构示意图；

图3是本实用新型的流通监管装置的RFID原理图；

图4是本实用新型的SH1算法MODELSIM仿真图；

图5是本实用新型的SH1算法流程图；

图6是为FPGA完成的SHA-1算法的IPCore示意图；

图7是FPGA完成的TFT液晶屏的IPCore示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

FPGA(现场可编程门阵列)解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。基于它运行速度快，可编程，使用灵活等特点选择FPGA作为数字信号处理，显示控制核心芯片。

RFID即射频识别，俗称电子标签。RFID的基本组成部分标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。在耦合方式(电感-电磁)、通信流程、从射频卡到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。

阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。

射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前，长距离射频识别系统的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的RF输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、阅读器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的，写入距离大约是读取距离的40％-80％。目前，可供射频卡使用的几种标准有ISO10536、ISO14443、ISO15693和ISO18OOO。应用最多的是ISO14443和ISO15693，这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成。

所述的农畜产品流通监管装置为手持式或固定式，包括主机，该主机包括现场可编程门阵列芯片生成的内核、无线射频识别标签读写模块、内置的天线、数据处理模块等；

且该装置还包括与现场可编程门阵列芯片即内核连接的内置密钥算法的存储器，以及连接主机并用于对标签信息处理的液晶屏。

参照图1所示为本实用新型的流通监管装置整体框架图，由MICROBLAZE内核1、RFID模块2、天线3、SDRAM内存4、FLASH存储5、DSP数据处理6、FPGA的SHA-1加密模块7和FPGA的OPB总线8组成。

其中，具体的MICROBLAZE存储电路为：RFID模块2和天线3组成的RFID射频收发模块；SDRAM内存4、FLASH存储5和OPB总线8组成的存储运行电路；MICROBLAZE内核1、DSP数据处理6和OPB总线8组成的视频压缩算法模块；MICROBLAZE内核1、SHA-1加密模块7和OPB总线8组成的SHA-1加密模块。

本实用新型的FPGA采用XC3S1500实现，该FPGA有456个管脚，使用MICROBLAZE作为系统的软核，通过交叉编译后的LINUX移植到FPGA作为操作系统，通过FPGA内部逻辑单元实现硬件加密算法，完成了在核心部件内的加密与操作系统的移植。

如图2所示为图1中MICROBLAZE内核1的内部结构图，即MicroBlaze内核结构框图。MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微处理器IP核，和其它外设IP核一起，完成可编程系统芯片(SOPC)的设计。MicroBlaze处理器采用RISC架构和哈佛结构的32位指令和数据总线，可以全速执行存储在片上存储器和外部存储器中的程序，并和其它外设IP核一起，完成可编程系统芯片(SOPC)的设计。MicroBlaze内核采用RISC架构和哈佛结构的32位指令和数据总线，可以全速执行存储在片上存储器和外部存储器中的程序，并访问相应的数据。

图1中OPB总线8是一种完全同步总线，它的功能处于一个单独的总线层级。它不是直接连接到处理器内核的。OPB接口提供分离的32位地址总线和32位数据总线。处理器内核可以借助“PLB to OPB”桥，通过OPB访问从外设。作为OPB总线控制器的外设可以借助“OPB toPLB”桥，通过PLB访问存储器。通过OPB总线实现与各个接口的连接通讯。

其中，图1中SHA-1加密模块7通过OPB总线8传递数据，在发送端，首先根据SHA-1加密算法对数据基带信号进行加密，然后根据MicroBlaze内核的一个响应中断控制加密后数据通过OPB总线传递到RFID模块2中，对其进行调制、载波、发射等信号处理，无缘卡片响应加密后的电磁信号。在此过程中由于射频信号已完成SHA-1加密，因此使得信号不可能被破译，从而保证数据在读写传输过程中的安全可靠；作为接收端时，天线3接收空间电磁信号，传递给RFID模块2，模块进行解调，滤波，AD转换，通过SPI接口向处理器发送数字信号。处理器响应得到的数字信号后，根据SHA-1加密模块7的SHA-1算法进行数据验证，验证后的数据参数将被通过OPB总线保存在FLASH存储5中。通过主机其他的外部接口(例如USB，SD)上传到服务器进行信息的汇总处理。

图3为RFID通讯原理图，具体描述了图1中RFID射频收发模块在本实用新型装置中的具体连接方式，由于FPGA所用管脚为456Pin，显示内容较大，在这里并没有全部绘制，只对主接口连接进行示意说明。系统通过FPGA的3个GPIO管脚连接RC632芯片中的SPI接口，VHDL完成SPI总线的时序和底层驱动，通过FPGA内部的OPB总线将数字信号交给内核MICROBLZAE处理，MICROBLAZE将所信号通过OPB总线放在内存某一地址中，待数据验数据验证结束后，将这一地址中的内容搬运的FLASH中保存，以备数据处理、汇总时使用。

图4为SHA-1算法的VHDL仿真时序图，结合图5中的SHA-1算法流程图，SHA-1即为安全散列算法(Secure Hash Algorithm)。在本实用新型装置中，使用IP核设计SHA-1算法。首先SHA-1算法为位加密算法，既所有的数据需更改成位字符串，在此基础之上进行消息补位，既用消息的长度对512取模，使结果等于448，如果长度取模结果为448，仍需要补位处理。进一步地补位步骤为，首先在数据最后一位补一个1，循环补0，直到数据长度满足对512取模结果为448为止；补位完成后进行补长度，所谓的补长度是将原始数据的长度添加到已经进行了补位操作的消息后面，通常用一个64位的数据来表示原始消息的长度，如果消息长度不大于2^64，那么第一个字就是0，如果原始的消息长度超过了512，需要将它补成512的倍数，最后把整个消息分成一个一个512位的数据块，分别处理每一个数据块，如图4SH1算法流程图所示，直到输出160位摘要结束。

图5为FPGA完成的SHA-1算法IPCore，其中MI0到MI31为数据的原文输入管脚，共32BIT。INLENGTH0到INLENGTH5为密钥输入管脚。CLK为软核时钟输入管脚。READY管脚为数据就绪管脚。RST为复位管脚。ONHOLD管脚为等待管脚。首先输入32BIT的原文和6BIT的密钥进行加密。加密后通过M0输出160BIT的密文。

图6为本实用新型设备中通过FPGA完成的TFT液晶屏，RFID技术对于数据的处理通常是首先给予该产品唯一的识别ID编码，通过该编码存储相关的信息，在读写过程中，读写器只显示该编码，读卡器会在识别过程中以某一规律为原则进行修改，此规则具有通用性。比如公交一卡通，高速公路收费系统，这些系统修改的值都有规律可寻，不用用户直接对数据进行读写操作。

在农畜产品追溯过程中，由于农产品数据种类繁多，缺乏统一标准，难以按某一规律进行统计处理(例如农产品计量单位根据产品类型有可能为吨、公斤、尾、箱等)，不能以统一的方法或规律来对追溯信息进行识别以及管理，本实用新型可以通过TFT液晶屏来实现即时的标示信息修改，提高了设备的通用性和可移植性。

该装置从FPGA中扣出部分资源作为显示控制终端，通过触摸屏对TFT液晶屏进行控制，在显示端将产品的主要信息全部显示出来。然后通过对触摸屏的一点一触操作完成对产品的数据统计管理。图中管脚D0到D23为TFT的红绿蓝三色的数据输入管脚。CLK为数据时钟信号，IHS为行扫数据输入管脚，IVS为列扫数据输入管脚。XL、XR、YD、YU为电阻式触摸屏的X轴与Y轴基准电压，反馈电压输入管脚。RESET为复位信号输入管脚。图左侧的MCLK为该软核的数据时钟输入管脚。SPENA为串型数据使能端口，SPDA为串型数据输入管脚。SPCK为串型数据时钟输入管脚。VOM_EX管脚为扩展管脚。根据官方给出的液晶屏DATASHEET时序，完成了以上FPGA中的TFT液晶屏IPCore设计。例如现有技术中肉牛个体从出生到最终产品的全程信息管理和溯源，对肉牛的生产——包装——运输——销售实现一条龙的溯源监管，在此过程中可以给予其唯一的标识码，此标识码信息将伴随该产品生命链的每个环节，通过本实用新型设备提供的SHA-1算法加密身份认证机制，能够实现标签信息的加密读写，在标签更换或者损坏情况下，通过设备写的功能，将加密的个体标识信息重新写入标签中，保证信息在追溯体系各环节中信息不被偷取和篡改。

需要说明的是，该装置的认证工作包括下列步骤：

1)产生一组随机数并发送给农畜产品标签。

2)农畜产品标签接到随机数，基于密钥后运算后得到产品密钥A，并发给农业产品安全装置。

3)FPGA本身进行计算，即基于其自身存储密钥与随机数进行运算后得到密钥E。

4)密钥E与产品密钥A进行对比认证。如果A和E不匹配，则该标签被认为非法标签，认证失败；如果A和匹配，则认为该标签为合法标签，认证通过。

本实用新型通过TFT(薄膜晶体管)液晶屏来实现即时的标示信息修改，提高了设备的通用性和可移植性。通过该设备中内置密钥的RFID读卡器能够安全识别农畜产品在流通过程中所附带的标签信息，实现农畜产品屠宰、加工、批发、零售等流通过程质量信息的密钥式读写。即结合了农畜产品质量安全追溯需求，完成高度加密的手持设备。该装置操作简单，使用方便。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1、一种农畜产品流通监管装置，其特征在于，包括：

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与现场可编程门阵列芯片连接的内置密钥算法的存储器。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括连接主机用于显示标签信息处理功能的显示屏。

4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置为手持式或固定式。